第6章 磁电式传感器
2021/3/17
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第6章 磁电式传感器
学习目的
➢掌握霍尔传感器的工作原理与特性， 熟悉霍尔传感器件
➢了解磁敏电阻、磁敏二极管等磁敏元 件的工作原理和特性
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第6章 磁电式传感器
主要内容
6.1 概述 6.2 霍尔式传感器的工作原理与特性 6.3 磁敏传感器 6.4 磁电式传感器的应用 本章小结 复习思考题
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第6章 磁电式传感器
6.1 概述
➢ 磁电感应式传感器是通过磁电转换将被测非电量（如振动、位移、速度 等）转换成电信号的一种传感器。
➢ 1820年奥斯特首次通过实验发现电流的磁效应。1831年英国物理学家 法拉第发现电磁感应定律。根据电磁感应定律，在切割磁通的电路里， 产生与磁通变化速率成正比的感应电动势。最简单的把磁信号转换为电 信号的磁电传感器就是线圈。随着科技发展，现代磁电传感器已向固体 化发展，它是利用磁场作用在被测物上，使物质的电性能发生变化的物 理效应制成的，从而使磁场强度转换为电信号。
电流都垂直的方向上会出现一个电动势差，这种现象称为霍尔效应。利用霍尔
v
效应制成的元件称为霍尔传感器。所产生的电动势称为霍尔电势。 ➢ 如图6-1所示，在长、宽、高分别为L 、 W 、 H的半导体薄片的相对两侧a、
b通以控制电流，在薄片垂直方向加以磁场B。设图中的材料是N型半导体，导 电的载流子是电子。在图示方向磁场的作用下，电子将受到一个由c侧指向d侧
UH
BW
I nqHW
BW
1 nqH
IB
➢设
RH
1---霍尔系数，得
nq
➢设
KH
RH H
---霍尔灵敏度，则
பைடு நூலகம்
UH
RH H
IB
（6-5）
反映材料霍尔效 应的强弱，是由 材料性质所决定
的一个常数大小
UH
RH H
IB
KH IB
（6-6）
霍尔灵敏度，它表 示霍尔元件在单位 控制电流和单位磁 感应强度时产生的
qEH qB
所以霍尔电场的强度为
EH B （6-2）
在c与d两侧面间建立的电
动势差称为霍尔电势，用表 U H
示
UH
EHW 或U H
BW
当材料中的电子浓度为n时
I /(nqHW ) （6-3）
UH
BW
I nqHW
BW
1 nqH
IB
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图6-1 霍尔效应与霍尔元件7
第6章 磁电式传感器
方向力的作用，这个力就是洛仑兹力。洛仑兹力用表示，大小为：
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图6-1
电子电荷量
FL qB
载流子的 运动速度
磁感应 强度
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第6章 磁电式传感器
➢ 在洛仑兹力的作用下，电子向d侧偏转，使该侧形成负电荷的积累，c侧则形成 正电荷的积累。这样，c、d两端面因电荷积累而建立了一个电场 EH,称为霍尔 电场。该电场对电子的作用力与洛仑兹力的方向相反，即阻止电荷的继续积累。 当电场力（ F）H 与 q洛EH仑兹力大小相等时，达到动态平衡。这时有
率电压变换器、移位电压变换器等电路中作控制元件，还可用于接近开
关、磁卡文字识别、磁电编码器、电动机测速等方面或制作磁敏传感器
用。 磁敏二极管和磁敏晶体管多用于检测弱磁磁场，无触点开关，位移
2021/3/测17 量，转速测量等。
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第6章 磁电式传感器
6.2 霍尔传感器的工作原理与特性
6.2.1 霍尔效应 ➢ 在置于磁场中的导体或半导体内通入电流，若电流与磁场垂直，则在与磁场和
（几个平方毫米），可以用于测量地球磁场，制成电罗盘；将它卡在环
形铁心中，可以制成大电流传感器。它还广泛用于无刷电动机、高斯计、
接近开关、微位移测量等。它的最大特点是非接触测量。其它类型的磁
电感应式传感器很多，常用的有磁敏电阻与磁敏传感器等。磁敏电阻一
般用于磁场强度、漏磁、制磁的检测或在交流变换器、频率变换器、功
式（6-7）中， f (L /W为)形状效应系数，其修正值如下表所示。通常取 L /W 2
L/W
0.5
f(L/W) 0.370
1.0 0.675
1.5 0.841
2.0 0.923
2.5 0.967
3.0 0.984
4.0 0.996
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第6章 磁电式传感器
霍耳电势与材料的关系
3） 霍耳电压UH与控制电流及磁场强度有关。根据式
UH
RH H
IB
KH IB
UH正比于I及B。当控制电流恒定时，B愈大，UH愈 大。当磁场改变方向时，UH也改变方向。同样，当 霍耳灵敏度KH及磁感应强度B恒定时，增加控制I,也 可以提高霍耳电压的输出。但电流不宜过大，否则，
会烧坏霍耳元件。
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6.2.2 霍尔元件的结构和主要参数
霍尔电势的大小
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第6章 磁电式传感器
霍耳电势与材料的关系
通过以上分析，可以看出
⑴ 霍耳电压UH大小与材料的性质有关。一般来说，金属材料n较大，导致RH和KH变
小，故不宜做霍耳元件。霍耳元件一般采用N型半导体材料。 RH=1/nq
⑵ 霍耳电压UH与元件的尺寸关系很大，生产元件时要考虑到以下几点：
1）根据式
UH
RH H
IB
，KHH IB愈小，KH愈大，霍耳灵敏度愈高，所以霍耳元件的厚度都
比较薄。但H太小，会使元件的输入、输出电阻增加，因此，也不宜太薄。
2）元件的长宽比对UH也有影响。L/W加大时，控制电极对霍耳电压影响减小。但
如果L/W过大，载流子在偏转过程中的损失将加大，使UH下降，通常要对式（66）加以形状效应修正：UH KH IBf (L /W ) (6-7）
场强度成正比的电动势。这个现象后来被人们称为霍尔效应。但是由于
这种效应在金属中非常微弱，当时并没有引起人们的重视。1948 年以后，
由于半导体技术迅速发展，人们找到了霍尔效应比较明显的半导体材料，
并制成了砷化稼、锑化铟、硅、锗等材料的霍尔元件。
➢ 用霍尔元件做成的传感器称为霍尔传感器。霍尔传感器可以做得很小
➢ 磁电式传感器的种类较多，不同材料制作的磁传感器其工作原理和特性 也不相同。本章主要介绍霍尔传感器以及磁阻元件、磁敏二极管、磁敏 晶体管等常用半导体磁传感器的原理、特性和应用。
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第6章 磁电式传感器
➢ 1879 年，美国物理学家霍尔经过大量的实验发现：如果让恒定电流通过
金属薄片，并将薄片置于强磁场中，在金属薄片的另外两侧将产生与磁